先说串口
之前写过一篇UART,通用串行异步通讯协议,感兴趣可以参考一下《 我打赌!你还不会UART 》; 因为UART没有时钟信号,无法控制何时发送数据,也无法保证双发按照完全相同的速度接收数据。因此,双方以不同的速度进行数据接收和发送,就会出现问题。
如果要解决这个问题,UART为每个字节添加额外的 起始位和 停止位,以帮助接收器在数据到达时进行同步;
双方还必须事先就 传输速度达成共识(设置相同的波特率,例如每秒9600位)。
传输速率如果有微小差异不是问题,因为接收器会在每个字节的开头重新同步。相应的协议如下图所示;
串口传输的过程
异步串行工作得很好,但是在每个字节发送的时候都需要额外的 起始位和 停止位以及在发送和接收数据所需的复杂硬件方面都有很多开销。
不难发现,如果接收端和发送端设置的速度都不一致,那么接收到的数据将是 垃圾(乱码)。
下面开始讲一下SPI协议,会有哪些优点。
SPI通讯协议
于是我们想有没有更好一点的串行通讯方式;相比较于 UART , SPI 的工作方式略有不同。
SPI 是一个同步的数据总线,也就是说它是用 单独的数据线和 一个单独的时钟信号来保证 发送端和接收端的完美同步。
时钟是一个振荡信号,它告诉接收端在确切的时机对数据线上的信号进行采样。
产生时钟的一侧称为 主机,另一侧称为 从机。总是 只有一个主机(一般来说可以是 微控制器/MCU),但是可以有多个 从机(后面详细介绍);
数据的采集时机可能是 时钟信号的 上升沿(从低到高)或 下降沿(从高到低)。
具体要看对SPI的配置;
整体的传输大概可以分为以下几个过程:
主机先将 NSS 信号拉低,这样保证开始接收数据;
当 接收端检测到时钟的边沿信号时,它将立即读取 数据线上的信号,这样就得到了一位数据(1 bit );
由于时钟是随数据一起发送的,因此指定 数据的传输速度并不重要,尽管设备将具有可以运行的最高速度(稍后我们将讨论选择合适的时钟边沿和速度)。
主机发送到 从机时:主机产生相应的时钟信号,然后数据 一位一位地将从 MOSI 信号线上进行发送到从机;
主机接收 从机数据:如果从机需要将数据发送回主机,则主机将继续生成预定数量的时钟信号,并且从机会将数据通过 MISO 信号线发送;
具体如下图所示;
SPI的时序
注意,SPI是“全双工”(具有单独的发送和接收线路),因此可以在同一时间发送和接收数据,另外SPI的接收硬件可以是一个简单的移位寄存器。这比异步串行通信所需的完整UART要简单得多,并且更加便宜;SPI特性
SPI总线包括4条逻辑线,定义如下:
MISO: Master input slave output 主机输入,从机输出(数据来自从机);
MOSI: Master output slave input 主机输出,从机输入(数据来自主机);
SCLK: Serial Clock 串行时钟信号,由主机产生发送给从机;
SS: Slave Select 片选信号,由主机发送,以控制与哪个从机通信,通常是低电平有效信号。
其他制造商可能会遵循其他命名规则,但是最终他们指的相同的含义。以下是一些常用术语;
MISO也可以是 SIMO , DOUT , DO , SDO 或 SO (在主机端);
MOSI也可以是 SOMI , DIN , DI , SDI 或 SI (在主机端);
NSS也可以是 CE , CS 或 SSEL ;
SCLK也可以是 SCK ;
本文将按照以下命名进行讲解 [MISO, MOSI, SCK,NSS]
下图显示了单个主机和单个从机之间的典型SPI连接。
主从连接 时钟频率
SPI总线上的主机必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。在每个SPI时钟周期内,都会发生 全双工数据传输。
主机在 MOSI 线上发送一位数据,从机读取它,而从机在 MISO 线上发送一位数据,主机读取它。
就算只进行单向的数据传输,也要保持这样的顺序。这就意味着无论接收任何数据,必须实际发送一些东西!在这种情况下,我们称其为虚拟数据;
从理论上讲,只要实际可行,时钟速率就可以是您想要的任何速率,当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率,以及最大的SPI传输速率。
时钟极性 CKP/Clock Polarity
除了配置串行时钟速率(频率)外,SPI主设备还需要配置 时钟极性。
根据硬件制造商的命名规则不同,时钟极性通常写为 CKP或 CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式,比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据;
CKP可以配置为1或0。这意味着您可以根据需要将时钟的默认状态(IDLE)设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。您必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。
CKP = 0 :时钟空闲 IDLE 为低电平 0 ;
CKP = 1 :时钟空闲 IDLE 为高电平 1 ;
除配置串行时钟速率和极性外,SPI主设备还应配置时钟相位(或边沿)。根据硬件制造商的不同,时钟相位通常写为 CKE或 CPHA;
顾名思义,时钟相位/边沿,也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿;
CKE = 0 :在时钟信号 SCK 的第一个跳变沿采样;
CKE = 1 :在时钟信号 SCK 的第二个跳变沿采样;
综上几种情况,下图总结了所有时钟配置组合,并突出显示了实际采样数据的时刻;
其中黑色线为采样数据的时刻;
蓝色线为SCK时钟信号;
具体如下图所示;
模式编号
SPI的时钟极性和相位的配置通常称为 SPI模式,所有可能的模式都遵循以下约定;具体如下表所示;
SPI Mode CPOL CPHA 0 [00] 0 0 1 [01] 0 1 2 [10] 1 0 3 [11] 1 1
除此之外,我们还应该仔细检查微控制器数据手册中包含的模式表,以确保一切正常。
多从机模式
前面说到SPI总线必须有一个主机,可以有多个从机,那么具体连接到SPI总线的方法有以下两种:
第一种方法:多NSS
通常,每个从机都需要一条单独的SS线。
如果要和特定的从机进行通讯,可以将相应的 NSS 信号线拉低,并保持其他 NSS 信号线的状态为高电平;如果同时将两个 NSS 信号线拉低,则可能会出现乱码,因为从机可能都试图在同一条 MISO 线上传输数据,最终导致接收数据乱码。
具体连接方式如下图所示;
多NSS连接
第二种方法:菊花链
在数字通信世界中,在设备信号(总线信号或中断信号)以串行的方式从一 个设备依次传到下一个设备,不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。
菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输,所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候,它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了;
另一方面,距离主机越远的从机,获得服务的优先级越低,所以需要安排好从机的优先级,并且设置总线检测器,如果某个从机超时,则对该从机进行短路,防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况;
具体的连接如下图所示;
菊花链连接
其中红线加粗为数据的流向;
所以最终的数据流向图可以表示为:
数据流图
SCK为时钟信号,8clks表示8个边沿信号;
其中D为数据,X为无效数据;
所以不难发现,菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能,整个链充当通信移位寄存器,每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。
优缺点SPI通讯的优势
使SPI作为串行通信接口脱颖而出的原因很多;
全双工串行通信;
高速数据传输速率。
简单的软件配置;
极其灵活的数据传输,不限于8位,它可以是任意大小的字;
非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址(与I2C不同)。从机使用主机时钟,不需要精密时钟振荡器/晶振(与UART不同)。不需要收发器(与CAN不同)。
没有硬件从机应答信号(主机可能在不知情的情况下无处发送);
通常仅支持一个主设备;
需要更多的引脚(与I2C不同);
没有定义硬件级别的错误检查协议;
与RS-232和CAN总线相比,只能支持非常短的距离;
下面是通过STM32的cubemx自动生成的HAL库代码,比较简单,截取了其中一部分,具体如下;
staticvoidMX_SPI1_Init( void)
{
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; //主机模式
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; //全双工
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; //数据位为8位
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; //CPOL=0
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; //CPHA为数据线的第一个变化沿
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; //软件控制NSS
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2; //2分频,32M/2=16MHz
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; //最高位先发送
hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; //TIMODE模式关闭
hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; //CRC关闭
hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; //默认值,无效
if(HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK) //初始化
{
_Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
}
}
//发送数据
HAL_StatusTypeDef
HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi,
uint8_t*pData,
uint16_tSize,
uint32_tTimeout) ;
//接收数据
HAL_StatusTypeDef
HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi,
uint8_t*pData,
uint16_tSize,
uint32_tTimeout) ;
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